Enabling Building Information Model-Driven Human-Robot Collaborative Construction Workflows with Closed-Loop Digital Twins

要約

建設支援ロボットの導入により、建設作業員の身体的負担を大幅に軽減しながら、建設プロジェクトの生産性と安全性の両方を向上させることができます。
ビルディング インフォメーション モデル (BIM) を活用すると、ロボット建設ワークフローを推進するための自然かつ有望なアプローチが得られます。
ただし、設計通りのコンポーネントと建設済みのコンポーネントの不一致など、建設現場に固有の不確実性のため、ロボットは BIM のみに依存して現場での建設作業を計画し、実行することはできません。
人間の作業員は、創造性と経験を活かして代替案を即興で作成することに熟達しているため、ロボットが不確実性を克服して建設作業を成功させるのを支援することができます。
このようなシナリオでは、作業プロセスの進行に合わせて BIM を継続的に更新し、その後の建設作業やメンテナンス作業に必要な現況情報が BIM に含まれるようにすることが重要です。
この研究では、人間とロボットの共同建設ワークフローに BIM を統合する、インタラクティブな閉ループのデジタル ツイン フレームワークを導入します。
ロボットの機能は主に BIM によって駆動されますが、実際の現場の状況に基づいて計画を適応的に調整し、人間の協力者がプロセスを監視および監督します。
必要に応じて、人間の同僚が介入して、ロボットが遭遇した不確実性を克服できるように支援します。
提案されたワークフローを検証するために、乾式壁の設置ケーススタディが実施されます。
さらに、建設現場を模倣した研究室環境および Gazebo シミュレーションで産業用ロボット アームを使用してシステムのパフォーマンスを評価する実験が実行されます。
人間の作業者の柔軟性と、BIM によってもたらされる自律性と正確性を統合する提案されたフレームワークは、現場建設作業のパフォーマンスにおける建設ロボットの堅牢性を向上させるという大きな期待をもたらします。

要約(オリジナル)

The introduction of assistive construction robots can significantly alleviate physical demands on construction workers while enhancing both the productivity and safety of construction projects. Leveraging a Building Information Model (BIM) offers a natural and promising approach to driving robotic construction workflows. However, because of uncertainties inherent in construction sites, such as discrepancies between the as-designed and as-built components, robots cannot solely rely on a BIM to plan and perform field construction work. Human workers are adept at improvising alternative plans with their creativity and experience and thus can assist robots in overcoming uncertainties and performing construction work successfully. In such scenarios, it is critical to continuously update the BIM as work processes unfold so that it includes as-built information for the ensuing construction and maintenance tasks. This research introduces an interactive closed-loop digital twin framework that integrates a BIM into human-robot collaborative construction workflows. The robot’s functions are primarily driven by the BIM, but it adaptively adjusts its plans based on actual site conditions, while the human co-worker oversees and supervises the process. When necessary, the human co-worker intervenes to help the robot overcome the encountered uncertainties. A drywall installation case study is conducted to verify the proposed workflow. In addition, experiments are carried out to evaluate the system performance using an industrial robotic arm in a research laboratory setting that mimics a construction site and in the Gazebo simulation. Integrating the flexibility of human workers and the autonomy and accuracy afforded by the BIM, the proposed framework offers significant promise of increasing the robustness of construction robots in the performance of field construction work.

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